In GNU Radio gibt es verschiedene Implementierungen der Phase Locked Loop, die für spezifische Aufgaben optimiert sind.
| PLL-Block | Primäres Ziel (Output) | Typischer Einsatzbereich | |
 | PLL Carrier Tracking | Ein “gereinigtes” Abbild des Eingangssignals. | Regenerierung verrauschter Träger, Phasenverfolgung. |
 | PLL Frequency Detector | Ein Schätzwert der aktuellen Frequenz \( f \). | FM-Demodulation, FSK-Dekodierung, Frequenzüberwachung. |
 | PLL Ref Out | Ein sauberer Referenzträger (Sinus) ohne Rauschen. | Kohärente Demodulation (Synchron-AM, BPSK). |
Parameter
Allen Blöcken gemeinsam ist die Steuerung über drei zentrale Parameter.
Die Frequenzgrenzen der PLL-Blöcke werden hierbei nicht in Hertz (Hz), sondern in der Einheit Radiant pro Sample angegeben. Dies ist eine normierte Einheit, die den Phasenfortschritt des Signals zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten beschreibt.
Um die Frequenzgrenzen korrekt zu berechnen, nutzen wir die Beziehung zwischen der gewünschten Frequenz \( f \), der Abtastrate \( f_s \) und der Phase:
$$ \text{radians per sample} = \frac{2 \pi \cdot f}{f_s} $$
Loop Bandwidth (Interne Variable: \( \omega_n \)):
Wie auf unserer Grundlagenseite zur PLL beschrieben, bestimmt dieser Wert die Reaktionsgeschwindigkeit des PI-Reglers.
- Technisch: Ein Wert von z. B. \( 0.05 \) bedeutet, dass die PLL Änderungen bis zu 5 % der Abtastrate folgen kann.
- Praxis: Kleinere Werte filtern Rauschen besser (stabilerer Lock), größere Werte reagieren schneller auf Frequenzsprünge oder Doppler-Effekte.
Max / Min Phase Error (im Block oft “Max/Min Freq”):
Diese Parameter definieren den Fangbereich der PLL. Sie legen fest, innerhalb welcher Grenzen der interne Oszillator (NCO) schwingen darf, um den Träger zu verfolgen.
Beispielrechnung:
Angenommen, wir arbeiten mit einer Abtastrate von \( f_s = 48kHz\) und wollen ein Signal bei einer Mittenfrequenz von \( 0\,\text{Hz} \) mit einer Drift von \( \pm 500\,\text{Hz} \) verfolgen:
- Max Freq: \( \frac{2 \pi \cdot (0 + 500)}{48.000} \approx 0,0654 \)
- Min Freq: \( \frac{2 \pi \cdot (0 – 500)}{48.000} \approx -0,0654 \)
Liegt das Signal hingegen bei einer Mittenfrequenz von \( 10\,\text{kHz} \), verschieben sich die Grenzen entsprechend:
- Min Freq: \( \frac{2 \pi \cdot (10.000 – 500)}{48.000} \approx 1,246 \)
- Max Freq: \( \frac{2 \pi \cdot (10.000 + 500)}{48.000} \approx 1,374 \)
Diese Einstellungen verhindern, dass die PLL auf eine völlig falsche Frequenz (z. B. ein Nachbarsignal) einrastet, falls das Zielsignal kurzzeitig verschwindet. Die Einheit ist im Bogenmaß pro Sample (Radiant/Sample) angegeben.
Technisch gesehen definieren die die Parameter die Schranken für den Integrator im PI-Regler.
PLL Carrier Tracking
Dieser Block ist der klassische “Verfolger”. Er gibt ein Signal aus, dessen Phase und Frequenz exakt dem Eingangssignal entsprechen.
- Anwendungsbereich: Synchronisation von unmodulierten Trägern oder Signalen mit konstanter Hüllkurve. Er wird oft genutzt, um ein verrauschtes Signal zu “reinigen”, bevor es weiterverarbeitet wird.
- Besonderheit: Er gibt das regenerierte Signal direkt aus. Wenn der Eingang rauscht, ist der Ausgang ein sauberer Sinus, der dem Rauschen des Eingangs “entflohen” ist.
PLL Frequency Detector
im Gegensatz zum Carrier Tracking ist das Ziel dieses Blocks nicht die Rekonstruktion des Signals, sondern die Gewinnung der Frequenzinformation.
- Anwendungsbereich: FM-Demodulation oder Frequenzüberwachung.
- Funktionsweise: Die PLL rastet auf das Signal ein, und wir greifen am Ausgang des Loop-Filters (unserem PI-Regler) den Wert ab, der den Oszillator steuert. Dieser Wert ist direkt proportional zur Momentanfrequenz des Eingangssignals.
- Nutzen: Ideal, um Frequenzverschiebungen (FSK) in Daten umzuwandeln.
PLL Ref Out (Carrier Regeneration)
Dieser Block wird oft verwendet, um einen lokalen Referenzträger zu erzeugen, der exakt phasensynchron zum empfangenen Signal läuft, aber selbst keine Modulation mehr enthält.
- Anwendungsbereich: Kohärente Demodulation (z. B. bei BPSK oder AM-Synchron-Demodulation).
- Unterschied: Während das Carrier Tracking das Eingangssignal mit all seinen Amplitudenschwankungen verfolgt, liefert die Carrier Regeneration meist einen sauberen Einheits-Sinus/Cosinus mit der korrekten Phase.
Er ist die Basis für den “Costas Loop”, der zusätzlich noch die Datenmodulation (Phasensprünge) eliminieren kann, um den Träger zu finden.